田佳美, 尹 微, 罗利艳, 齐鹰博, 刘晓洁, 江志阳
(1.辽宁土木启生物科技有限公司 辽宁沈阳 110000;2.中国科学院沈阳应用生态研究所 辽宁沈阳 110016)
彰武县位于辽宁省的西北部,地处科尔沁沙地南缘,中华人民共和国成立前,风沙肆虐,是沙漠化极其严峻的地区,也是典型的生态脆弱区[1]。中华人民共和国成立后,彰武县的广大人民响应国家号召,进行了一系列的造林、种草、防沙治沙活动,已完成人工造林面积152.3亩(1亩=667 m2),营造117 km的护岸林,草原植被的覆盖度提高至80%以上,生态环境明显好转[1]。2014年第五次沙化检测数据显示,彰武县土地总面积为351 600 hm2,沙化土地面积占总面积的40.6%,其中固定沙地面积为109 200 hm2[2]。彰武县土壤类型较丰富,包括8个土类66个土种,其中主要的土壤类型为草甸土(34.20%)、风沙土(33.90%)、褐土(19.30%)和棕壤土(11.60%)。目前,彰武县存在沙化土地与具有沙化趋势的土地面积为238 500 hm2,防沙治沙工作仍任重道远,需要全社会的共同努力。
沙地治理主要采用生物措施与工程措施相结合的方法,其中生物措施以植被修复为主,主要包括种植灌木、播撒草种、防治鼠害和增施肥料等[3]。施肥是退化草地修复的主要修复措施,能够高效、快速地提高土壤养分,改善土壤结构[4]。通过施肥等方式能够使土壤养分(氮、磷、钾、有机质等)含量发生变化,改变土壤微生物的多样性,进而影响微生物的代谢和功能[5]。
微生物作为土壤的重要组成部分,其多样性具有控制土壤生态中各种生化过程方向和维持土壤生态系统功能稳定性的作用,是评价土壤肥力与质量的重要指标[6-7]。土壤微生物多样性与土壤养分含量之间相互作用,如土壤微生物数量下降会引起土壤养分循环被破坏,养分损失加大[8]。有研究表明,在植烟土壤中施用氮磷钾肥可以改变土壤的酸碱度,影响细菌群落结构[9]。此外,有机无机肥配合施用可以有效提高土壤中有机质的含量,增强微生物对于土壤碳源的代谢能力[10]。本文以辽宁省阜新市彰武县沙化草地土壤为研究对象,通过施用不同组合的肥料,研究沙地土壤中微生物多样性和土壤理化性状的变化,以期为贫瘠土壤生态系统的改良优化提供科学指导。
1.1 研究地区概述
研究地区位于辽宁省阜新市彰武县大冷乡(42°07′～42°51′ N,121°53′～122°58′ E),地势为北高南低,西北部海拔最高为313.1 m,南部海拔最低为59.3 m,该地区属于温带季风大陆性气候,具有光照充足和四季分明的特点,平均年降水量为497.4 mm。该县有棕壤、褐土、草甸土等8个土类,全县总面积362 300 hm2,其中耕地面积为185 300 hm2[11]。
1.2 试验设计与土壤样品采集
选取未翻耕的天然草地,于2020年6月初进行草种补播。草种选择5种禾草(黑麦草、冰草、披碱草、高羊茅、羊草)和2种非禾草(沙打旺、沙蒿),补播草种量为300 g/区。于6月中旬施用肥料,试验所用肥料均由辽宁土木启生物科技有限公司提供。肥料及养分含量：生物有机肥,w(N+P2O5+K2O)≥10%,w(有机质)≥40%,有效活菌数≥2亿cfu/g;含腐殖酸肥料,ρ(腐殖酸)≥30 g/L,w(N+P2O5+K2O)≥20%;含聚谷氨酸肥料,w(氨基酸)≥10%,w(Ca+Mg)≥3%;中微量元素肥料(与有机肥料配合施用),w(有机质)≥30%,w(Ca+Mg)≥10%,w(Fe+Zn)≥10%。
试验共设置4个处理：对照(CK)处理,不施肥料;OH处理,生物有机肥1 000 kg/亩+含腐殖酸肥料500 kg/亩;OP处理,生物有机肥1 000 kg/亩+含聚谷氨酸肥料500 kg/亩;OM处理,生物有机肥1 000 kg/亩+中微量元素肥料500 kg/亩。
2020年12月开始采集土壤样品,以半年为时间间隔,分3个时间节点(T1、T2和T3)进行,每个处理设置4个样方(8 m×8 m),使用土钻(直径8 cm)在每个样方内收集5份根际土壤,混合均匀作为1份样品(500 g)。各处理样方间不相邻,以保证样品的独立性。共收集16份根际土壤样品,过2 mm筛子去除植物根系等杂质,置于温度4 ℃冰箱保存,用于后续微生物多样性及土壤理化性状的测定。
1.3 微生物多样性的测定
采用稀释平板法[12]对土壤样品进行有效活菌数量测定,细菌采用营养琼脂培养基,真菌采用孟加拉红培养基,放线菌采用高氏一号培养基,每份土壤样品重复测定3次。在温度28 ℃条件下,细菌、真菌、放线菌培养平板分别培养2、4、6 d后进行菌落数量统计。
1.4 土壤理化性状测定
选择土壤有机质、全磷、全钾含量及pH作为土壤质量评价指标。有机质含量采用K2Cr2O7-外加热法测定,全磷含量采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定,全钾含量采用NaOH熔融-火焰光度法测定,pH采用电极法(水土比2.5∶1)测定,以上指标的测定方法参照《土壤农化分析》[13]。
模型中，压力容器的材料为16MnR，车体及相关附件的材料为45钢，表1列出了相关材料的机械性能[2]。
1.5 地上部植物生物量测定
采用样方收获法,将T3时间点各处理样方内的植物分别与地面对齐剪下地上部分,分装后带回实验室,使用百分之一的电子天平称量其鲜质量,换算得到单位面积地上部生物量。
1.6 数据处理
试验数据采用Excel 2010软件进行分析,差异显著性采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析,并采用Duncan法进行多重比较。
2.1 不同施肥处理对土壤微生物数量的影响
不同施肥处理对土壤微生物数量的影响见表1。
表1 不同施肥处理的土壤微生物数量
从表1可看出：不同施肥处理的土壤中微生物数量分布呈相同的规律,即细菌>放线菌>真菌,细菌的数量显著高于其他微生物的;不同施肥处理在相同取样时间点的细菌数量均比CK处理的有增加的趋势,其中OH处理在T1取样时间点的细菌数量最高,3个取样时间点细菌数量平均值约为1.51×107cfu/g,是CK处理的5.2倍;OP处理与OM处理在3个取样时间点的细菌数量无显著差异;不同施肥处理的真菌数量在3个取样时间点的平均值分别为8.42×104、8.53×104、10.19×104cfu/g,均高于CK处理的平均值(5.22×104cfu/g);OM处理在T2取样时间点的真菌数量最高,是CK处理的1.9倍;放线菌数量在不同处理间的差异不明显,OP处理在T1取样时间点的放线菌数量显著高于CK处理的。
2.2 不同施肥处理对土壤有机质含量的影响
不同施肥处理对土壤有机质含量的影响见表2。
表2 不同施肥处理的土壤有机质含量
从表2可以看出：在不同的取样时间点,除OP处理在T1取样时间点的土壤有机质含量低于CK处理的,其他施肥处理在不同取样时间点的土壤有机质含量均高于CK处理的;OP、OM和CK处理的土壤有机质含量变化趋势一致,均随着取样时间的延长呈明显的下降趋势,而OH处理的土壤有机质含量呈先下降后增加的趋势;在3个施肥处理中,OH处理在T1取样时间点的土壤有机质含量最高,OM处理在T3取样时间点的土壤有机质含量最低;OH处理在不同取样时间点的土壤有机质含量平均值最高,为5.84 g/kg,比CK处理的平均值高68.8%。
2.3 不同施肥处理对土壤全磷含量的影响
不同施肥处理对土壤全磷含量的影响见表3。
表3 不同施肥处理的土壤全磷含量
2.4 不同施肥处理对土壤全钾含量的影响
不同施肥处理对土壤全钾含量的影响见表4。
表4 不同施肥处理的土壤全钾含量
从表4可看出：除了OM处理在T1取样时间点的土壤全钾含量与CK处理的相比差异不显著外,其他施肥处理的土壤全钾含量均显著高于CK处理的;OH处理在T1取样时间点的土壤全钾含量最高;OP处理在不同取样时间点的土壤全钾含量平均值最高,为5.96 g/kg,比CK处理的高44.3%;OP处理的土壤全钾含量变化趋势与CK处理的一致,均随着取样时间的延长呈先上升后下降的趋势;OH处理的土壤全钾含量随着取样时间的延长呈下降趋势,OM处理的土壤全钾含量变化趋势与OH处理的相反。
2.5 不同施肥处理对土壤pH的影响
不同施肥处理对土壤pH的影响见表5。
表5 不同施肥处理的土壤pH
从表5可知：3个施肥处理的土壤pH均显著低于CK处理的,其中OP处理的3个取样时间点的土壤pH平均值最低,约为6.11,与CK处理的相比下降6.6%;OM处理的3个取样时间点的土壤pH平均值约为6.34,与CK处理的相比下降3.1%;随着取样时间的延长,3个施肥处理的土壤pH呈上升趋势,其中OP处理在T1取样时间点的土壤pH最低。
2.6 不同施肥处理对植物地上部生物量的影响
不同施肥处理对植物地上部生物量的影响见图1。
图1 不同施肥处理的植物地上部生物量
从图1可看出：3个施肥处理的植物地上部生物量均高于CK处理的;OM处理的植物地上部生物量最高,为321.25 g/m2,与CK处理的相比差异显著;其次是OP处理的,为275.00 g/m2,是CK处理的2.4倍。
3.1 不同施肥处理对沙地土壤微生物多样性的影响
土壤微生物多样性是土壤质量的重要生物评价指标之一[14]。土壤中微生物的数量与土壤类型、田间管理、施肥方法等相关,其中细菌在土壤微生物群落中数量占比最大、分布最广,可以直接反映土壤的肥力状况[15]。土壤微生物数量与土壤养分含量呈现一定的正相关关系,微生物的数量会随着土壤中养分含量的提高而增加[16]。试验施用多种肥料后,微生物数量也显著提高,与武凤霞等[17]的研究结果基本一致,即混合施肥能够提高玉米种植时土壤中细菌和真菌种类的数量,有利于保护玉米农田生态环境。
3.2 含腐殖酸肥料对沙地土壤健康指标的影响
腐殖酸具有增加土壤有机质含量、增强土壤微生物的生长代谢、提高土壤中细菌的多样性及丰度等作用[18-19]。孙向春等[20]的研究表明,河西走廊灌漠土中施用腐殖酸后,土壤有机质含量提高3.3%～4.7%。朱铭等[21]的研究结果表明,浙江省红壤土中施用腐殖酸可以有效改变土壤微生物的群落结构,增强土壤微生物的碳源利用能力,有效提高土壤细菌的丰度。试验结果表明,随着腐殖酸肥料的施用,土壤中有机质含量提高,细菌的数量显著增加,与上述研究结果一致。
3.3 含聚谷氨酸肥料对沙地土壤健康指标的影响
聚谷氨酸作为“环境友好”的新型生物材料,在农业领域中应用具有调节土壤理化性状和保水保肥的作用,还能够调控作物的生理代谢和生长发育,进而提高作物的产量和品质[22]。有研究表明,聚谷氨酸发酵液及其颗粒产品的施用,可以增加土壤中微生物的多样性和均匀度[23]。试验中施用含聚谷氨酸肥料的处理在T1取样时间点的放线菌数量显著高于对照处理的,与陶龙锦等[24]的研究结果基本一致,即通过高通量测序,结果显示聚谷氨酸配施化肥后的棉花根际土壤中放线菌相对丰度提高12.37%。
3.4 中微量元素肥料对沙地土壤健康指标的影响
中微量元素可以作为土壤调节剂,具有改良土壤、促进植物养分吸收、减轻重金属污染、提高土壤活力和调节能力的作用[25]。在土壤微生物多样性方面,中微量元素肥料可以显著提高细菌丰度、降低真菌丰度。试验采用有机肥与中微量元素肥料配合施用,所有微生物数量均显著提高,可能与不同土壤类型反应不一致有关[26]。
3.5 不同施肥组合对沙地土壤pH的影响
本文通过研究彰武县沙化土壤微生物种类多样性及土壤理化性状,发现施用不同有机基质的肥料,土壤微生物组成和土壤的营养成分在不同时间取样存在共性和一定的差异性。整体上,不同组合的肥料施用后,土壤微生物的多样性提高,土壤中的营养元素含量显著增加,更利于植物的生长。试验结果可为辽西北沙化土壤的修复提供科学指导,为沙漠化治理提供经验,以完善并发展沙地改良优化技术,推进生态文明建设。
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